高性能近红外荧光探针用于快速、特异可视化检测亚硫酸盐

亚硫酸盐是食品和饮料工业中常用的防腐剂和添加剂，用于保持新鲜、抑制细菌和漂白。亚硫酸盐也可内源性产生于各种农产品中，这是由于其内在含硫生物活性物质(半胱氨酸、谷胱甘肽等)在线粒体中代谢所致。然而，过量的亚硫酸盐会对细胞和组织造成不可逆的损伤，诱发呼吸系统疾病和心血管疾病，甚至引发肺癌、心肌缺血和严重的过敏反应。因此，许多国家对食品中的亚硫酸盐门槛限值都有严格的规定，如由美国食品及药物管理局(FDA)规定的门槛限值为10ppm。因此，为确保食品安全，发展灵敏、选择性检测食品和生物体内亚硫酸盐的高效分析方法至关重要。

已有一些测定亚硫酸盐的分析技术被建立，如电化学、流动注射、色谱等。然而，这些方法不仅需要昂贵的仪器和复杂的预处理，而且耗时，它们不适合用于食品中亚硫酸盐的现场检测。荧光探针作为一种新兴的分析技术，由于其简单、方便、灵敏度高、选择性好，尤其是具有非侵入性等特点，已被报道用于各种生物的成像。为了测定活细胞中的亚硫酸盐水平，人们开发了基于醛类亲核反应、乙酰丙酸选择性去保护、Michael型加成和协调的相互作用的各种荧光探针。虽然已报道的荧光探针在活细胞中亚硫酸盐成像方面表现出了良好的性能，但它们在感应实际食物中亚硫酸盐和对活生物体中亚硫酸盐成像时仍存在一些问题，例如受到硫化氢(H2S)、生物胺、半胱氨酸(Cys)、谷胱甘肽(GSH)和一些酶的干扰。此外，这些探针与亚硫酸盐反应后的荧光主要局限在可见光或紫外光谱区域，并与包括色氨酸、黄酮类化合物、NADH、维生素B2、绿色荧光蛋白在内的食品成分背景荧光发生重叠。由于近红外(NIR)荧光探针的荧光波段一般在650-900 nm范围内，其可完全避免食品样品背景荧光的干扰。然而，目前能用于检测食品和活生命体中亚硫酸盐且具有优异性能的NIR荧光探针仍然少有报道。

近期来自广西大学和江西农业大学的团队在《Chemical Engineering Journal》杂志上发表了研究工作“High-performance near-infrared fluorescence probe for fast and specific visualization of harmful sulfite in food, living cells, and zebrafish”。在该研究工作中，研究人员们提出了一种实现亚硫酸盐近红外荧光发光和显色反应的指示方法。在本研究中，两个吸电子的部分，甲基喹啉和将2-(3,5,5-三甲基环己基-2-亚烯基)丙二腈结合在一起，提供了一种具有受体- π-共轭-受体(A - π- A)结构的水溶性DCQN，该DCQN在视觉区具有紫外-可见吸收光谱和发射光谱。亚硫酸盐是一种良好的还原剂，可通过亲核加成反应还原部分双键。可以预见，一旦甲基喹啉基被亚硫酸盐还原，形成给电子基(D)，则DCQN的A-π-A结构转变为D-π-A结构，由于分子内电荷转移(ICT)效应，产生显色效应和近红外荧光发射。实际上，DCQN在540 nm处表现出非常弱的荧光。当加入亚硫酸盐后，DCQN立即在660 nm处出现一个特异、灵敏度高、对比度高的近红外荧光带。更重要的是, DCQN在660 nm具有零背景荧光，完全避开了食品的背景荧光，可以通过近红外荧光发光信号和显色效应检测真实食品样品(糖和鱼巴)中的亚硫酸盐。此外，将DCQN引入水凝胶中，可以作为一种方便、廉价、便携的装置，用于食品中亚硫酸盐的快速、直观的现场检测。此外，DCQN还成功地用于活细胞和斑马鱼中亚硫酸盐的可视化监测和成像，具有高对比度的时空分辨率。

图1. 结晶糖和腐竹用探针DCQN进行荧光检测前后的情况

图2. 结晶糖和腐竹用探针DCQN进行显色检测前后的情况

图3. 含有探针DCQN的琼脂凝胶对不同物质的荧光响应情况

图4. 探针DCQN对是否含亚硫酸盐的MCF-7细胞成像效果

图5. 探针DCQN对是否含亚硫酸盐的斑马鱼成像效果

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131563